現代數控技術發(fā)展(第一講)模版課件

現代數控技術發(fā)展

(DevelopmentofCNC)馮顯英（教授、博士生導師）山東大學數控技術研究中心

電話：0531－88392873（O_mail:FXYing@FXYing_SDU@126.com9/19/20231現代數控技術發(fā)展

(DevelopmentofCNC)馮工欲善其事，必先利其器中國古代諺語即：制造業(yè)要能造出好的產品，必須有先進的工具（設備、刀具、檢具等）。現代制造業(yè)則必須以現代制造工具作基礎，而數控設備則是其關鍵。9/19/20232工欲善其事，必先利其器中國古代諺語即：制造業(yè)要能造出好的產品數控技術的廣泛含義1.流程工業(yè)的過程工業(yè)控制;2.機械制造業(yè)的運動控制；3.機械制造業(yè)自動化功能控制.

數控系統+數控裝備9/19/20233數控技術的廣泛含義1.流程工業(yè)的過程工業(yè)控制;8/5/202制造業(yè)和制造技術的形成，只有兩百年的歷史。18世紀后期，以蒸汽機和工具機發(fā)明為特征的產業(yè)革命，開始了以機器為主導地位的制造業(yè)新紀元，促成了制造企業(yè)雛形——工廠式生產的出現。19世紀末、20世紀初，內燃機的發(fā)明引發(fā)了制造業(yè)的革命；由福特、斯隆開創(chuàng)了流水式、大批量生產模式。

2戰(zhàn)后，微電子技術、計算機技術、自動化技術得到了迅速發(fā)展，推動了制造技術向高質量和柔性化生產的方向發(fā)展。

70年代開始，大量生產模式已不能適應新的市場特點，于是相繼出現了計算機集成制造、豐田生產模式（精益生產）。也就是說，受市場多樣化、個性化的牽引及商業(yè)競爭加劇的影響，制造技術進入了面向市場、柔性生產的新階段，引發(fā)了生產模式和管理技術的革命。

90年代,相繼出現了智能制造、敏捷制造、下一代制造等新的制造理念。隨著社會需求個性化、多樣化的發(fā)展：生產規(guī)模沿“單件－小批量－少品種大批量－多品種變批量－專業(yè)化、專門化批量協同生產”的方向發(fā)展。制造資源配置沿著“勞動密集型—設備密集型---信息密集型----知識密集型”的方向發(fā)展。與之相適應，制造技術的：生產方式則沿著“手工----機械化----單機自動化----剛性流水自動化----柔性自動化----智能自動化”的方向發(fā)展。1.制造業(yè)的歷史回顧9/19/20234制造業(yè)和制造技術的形成，只有兩百年的歷史。120世紀人類社會最偉大的科技成果是計算機的發(fā)明與應用(1946年），計算機及控制技術在機械制造設備中的應用是世紀內制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術進步。自從1952年美國第1臺數控銑床問世至今已經歷了50多個年頭。數控技術經厲了2個階段和6代的發(fā)展：

第１階段：硬件數控（ＮＣ）

第１代：１９５２年的電子管

第２代：１９５９年晶體管分離元件

第３代：１９６５年的小規(guī)模集成電路

第２階段：軟件數控（ＣＮＣ）

第４代：１９７０年的小型計算機

第５代：１９７４年的微處理器

第６代：１９９０年基于個人ＰＣ機（PC-BASED）

2.CNC產生與發(fā)展9/19/2023520世紀人類社會最偉大的科技成果是計算機的發(fā)明與應用(194數控系統的演變分類世代誕生年代系統元件及電路構成世界我國硬件數控NC第一代第二代第三代1952年1959年1965年1958年1965年1972年電子管、繼電器，模擬電路晶體管，數字電路（分立元件）集成數字電路計算機數控CNC第四代1970年1976年內裝小型計算機，中規(guī)模集成電路第五代1974年1982年內裝微處理器的NC字符顯示，故障自診斷

1979年1981年

1987年

1991年1995年

超大規(guī)模集成電路，大容量存儲器，可編程接口，遙控接口人機對話,動態(tài)圖形顯示,實時軟件精度補償,適應機床無人化運轉要求32位CPU，可控15軸，設定0.0001mm進給速度24m/min，帶前饋控制的交流數字伺服、智能化系統。利用RISC技術64位系統。微機開放式CNC系統、STEP-NC第六代9/19/20236數控系統的演變分類世代誕生年代系統元件及電路構成世界我國硬件數控系統的技術參數進步狀況年代767778798081828384858687～9091CPU3000C/2901位片機16位微處理器32位微處理器64位伺服驅動直流模擬伺服交流模擬伺服交流數字伺服最小設定單位1um0.1um0.01um進給速度高速、高精度型2.1m/min8.4m/min33.7m/min高速型15m/min60m/min快速9.6m/min15m/min24m/min60m/min240m/min擴充功能用軟件擴充數控功能、刀具補償，固定循環(huán)，存儲器運行用軟件充實人機接口，彩色顯示，會話編程，仿真32位CPU，高速、高精度加工，數字伺服，高速主軸，智能化開放系統9/19/20237數控系統的技術參數進步狀況年代767778798081828數控系統的功能水平項目低檔中檔高檔分辨率1010.1進給速度8-15m/min15-24m/min15-100m/min聯動軸數2-3軸2-4軸或3-5軸以上主CPU8位16位、32位甚至采用RISC的64位伺服系統步進電機、開環(huán)直流及交流閉環(huán)、全數字交流伺服系統內裝PLC無有內裝PC，功能極強的內裝PC，甚至有軸控制功能顯示功能數碼管,簡單的CRT字符顯示有字符圖形或三維圖形顯示通信功能無RC232C和DNC接口還可能有MAP通訊接口和聯網功能9/19/20238數控系統的功能水平項目低檔中檔高檔分辨率1CNC市場現狀目前CNC市場，國際上最大的數控系統生產廠是日本ＦＡＮＵＣ公司，1年生產5萬套以上系統，占世界市場約45%左右，其次是德國的西門子公司約占15%以上，再次是西班牙發(fā)格，意大利菲地亞，法國的ＮＵＭ，日本的三菱、安川。國產數控系統廠家主要有華中數控、北京航天機床數控集團、北京凱奇、沈陽藝天、廣州數控、南京新方達、成都廣泰等，國產數控生產廠家規(guī)模都較小，年產都還沒有超過300-400套。國內中高端數控系統被德、日壟斷

:在高、精、尖技術方面的差距則達到了１０－１５年。如果沒有“中國芯”，就要讓人牽著鼻子走，你沒有跟他討價還價的資格；原因是缺乏自主創(chuàng)新能力，完全擁有自主知識產權的數控系統少之又少，制約了數控機床產業(yè)的發(fā)展。有些高端技術，還要受禁。9/19/20239CNC市場現狀目前CNC市場，國際上最大的數控系統生產廠是日第６代的CNC系統主要特點（１）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可達到５萬小時以上；

（２）基于ＰＣ平臺，技術進步快，升級換代容易；

（３）提供了開放式基礎，可供利用的軟、硬件資源豐富，使數控功能擴展到很寬的領域（如ＣＡＤ、ＣＡＭ、ＣＡＰＰ，連接網卡、聲卡、打印機、攝影機等）；

（４）對數控系統生產廠來說，提供了優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境，簡化了硬件。

9/19/202310第６代的CNC系統主要特點8/5/2023103.CNC發(fā)展趨勢－智能思考型軟件化數控系統長期以來，CNC－－傳統的封閉式體系結構，只能作為非智能的機床運動控制器。加工過程變量根據經驗以固定參數形式事先設定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統進行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機構。在復雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉速、進給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數，無法實時動態(tài)調整，更無法修正CAD/CAM中的設定量，因而影響CNC的工作效率和產品加工質量。在現代制造系統中的全新制造模式中，數控技術是關鍵技術，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數控技術正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎上，數控系統實現了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經網絡等多學科技術，數控系統實現了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調節(jié)與補償各項參數，實現了在線診斷和智能化故障處理；在網絡化基礎上，CAD/CAM與數控系統集成為一體，機床聯網，實現了中央集中控制的群控加工。

9/19/2023113.CNC發(fā)展趨勢－智能思考型軟件化數控系統3.CNC發(fā)展趨勢－智能思考型軟件化數控系統(1)1)性能發(fā)展方向:(1)高速、高精、高效化。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數字伺服系統，同時采取了改善機床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。

(2)柔性化

。包含兩方面：數控系統本身的柔性，數控系統采用模塊化設計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統的柔性，同一群控系統能依據不同生產流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態(tài)調整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統的效能。

(3)工藝復合性和多軸化

以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉主軸頭或轉臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工。數控技術軸，西門子880系統控制軸數可達24軸。

9/19/2023123.CNC發(fā)展趨勢－智能思考型軟件化數控系統(1)1)性能(4)智能化思考型。早期的系統按程序設定執(zhí)行。而人工智能則試圖用計算模型實現人類的各種智能行為，CNC和人工智能相互結合，使CNC具有了智能化思考型控制功能。主要分支發(fā)展：自適應控制、模糊控制、神經網絡控制、專家控制、學習控制、前饋控制等。例如在數控系統中配備編程專家系統、故障診斷專家系統、參數自動設定和刀具自動管理及補償等自適應調節(jié)系統，高速加工運動控制的提前預測和預算功能、動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度等參數和狀態(tài)的監(jiān)測、監(jiān)控功能等。從而達到最佳控制的目的。2)功能發(fā)展方向(1)用戶界面圖形化：圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用，人們可以通過視窗操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現。(2)科學計算可視化：高效處理數據和解釋數據，使信息交流不再局限于用文字和語言表達，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息3.CNC發(fā)展趨勢－智能思考型軟件化數控系統(2)9/19/202313(4)智能化思考型。早期的系統按程序設定執(zhí)行。而人工智能則試（3）插補和補償方式多樣化：多種插補方式如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、NANO插補、NURBS插補(非均勻有理B樣條插補)、樣條插補(A、B、C樣條)、多項式插補等。多種補償功能等。加加速度控制功能：加加速度，移動突變時，振動，導致表面質量降低…（4）內裝高性能PLC：梯圖可視化編程，在線監(jiān)控、仿真、調試運行。（5）多媒體數控技術：集計算機、聲像和通信技術于一體，具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。應用多媒體技術可以做到信息處理綜合化、智能化，在實時監(jiān)控系統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監(jiān)測等方面有著重大的應用價值。3)體系結構的發(fā)展(1)集成化、超薄型、超小型化：采用高度集成化CPU、RISC芯片和大規(guī)?？删幊碳呻娐稦PGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片，可提高數控系統的集成度和軟硬件運行速度。應用先進封裝和互連技術，將半導體和表面安裝技術融為一體。3.CNC發(fā)展趨勢－智能思考型軟件化數控系統(3)9/19/202314（3）插補和補償方式多樣化：多種插補方式如直線插補、圓弧插補

(2)模塊化：硬件模塊化易于實現數控系統的集成化和標準化。根據不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標準的系列化產品，通過積木方式進行功能裁剪和模塊數量的增減，構成不同檔次的數控系統。(3)網絡化：構成DNC系統、遠程監(jiān)控和診斷、交互(4)通用型開放式閉環(huán)控制模式：總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結構，便于裁剪、擴展和升級，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數控系統。

新一代智能化思考型CNC系統

3.CNC發(fā)展趨勢－智能思考型軟件化數控系統(4)智能技術、網絡技術、CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態(tài)數據管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真等高新技術融于一體，形成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系，具有智能思考功能。9/19/202315(2)模塊化：硬件模塊化易于實現數控系統的集成化和標準4.CNC--現代數控技術理解1）數控技術的發(fā)展過程傳統封閉型系統數控NC-->CNC目前仍廣泛應用于工業(yè)中PC-NC型準開放式數控系統PC嵌入NC(利用PC擴充NC)NC嵌入PC(PC+運動控制卡)90年代初開始，現市場已有產品軟件化開放式數控系統基于標準PC軟件化NC實時操作系統90年代末提出，現已有SoftServo,OpenCNC，PA傳統封閉式數控系統的缺點（1）各廠家產品軟硬件不兼容，主流技術遠落后于PC軟硬件技術，購買、使用成本高;（2）系統功能固定，不能充分反映數控設備制造廠的生產經驗，很難滿足最終用戶的特殊要求;（3）缺乏統一、有效和高速的通道與外部互連，信息被鎖在“黑匣子”中，成為自動化的“孤島”;（4）人機界面不靈活，系統的培訓和維護費用昂貴。9/19/2023164.CNC--現代數控技術理解1）數控技術的發(fā)展過程傳統封PC-NC結構的不足（1）仍存在專有硬件（2）信息的交換還不是完全開放的（3）與I/O接口連線多（4）成本高（5）工業(yè)化設計不如傳統數控系統軟件化開放式是數控系統的發(fā)展方向（1）基于標準的PC硬件（2）信息的完全開放，軟件模塊的PnP，（3）與I/O的連接為現場總線結構PROFIBUS，SERCOS，MACRO,HS-Link,IEEE1394a(b),實時以太網（4）完善的網絡功能（5）成本低注：SERCOS--SErialReal-timeCOmmunicationsSystem9/19/202317PC-NC結構的不足（1）仍存在專有硬件軟件化開放式是數控2).現代數控技術的基本構成--數控系統體系結構

（開放式、智能化、軟件化）IEC61131-3驅動技術

RTOS現場總線軟件化數控系統體系結構9/19/2023182).現代數控技術的基本構成--數控系統體系結構

（開放式、3).開放式數控系統的主要進展開放性的定義★可移植性（Portability）--POSIX1003.1b★可縮放(升級）性（Scalability）★可擴展性（Extensibility）★可交換性（Exchangeable）-Configurable★統一的操作界面（Uniformityinterface）國內外主要研究計劃★（1）美國的NGC、EMC、OMAC★（2）歐共體的ESPRIT6379OSACA★（3）日本聯合六大公司成立了OSEC組織★（4）美國MDSI公司、SoftServo和德國PA公司★（5）國內華中、航天、藍天、珠峰★（6）大學研究計劃9/19/2023193).開放式數控系統的主要進展開放性的定義國內外主要研究計劃OSACA--OpenSystemArchitectureforControlswithinAutomationSystems

OSACAisajointEuropeanprojectwhichaimstoimprovethecompetitivenessofthemanufacturersofmachinetoolsandcontrolsystemsintheworldmarket.Themaingoaloftheprojectistospecifyasystemarchitectureforopencontrolsystemswhichismanufacturerindependent.TheachievementsoftheOSACAprojectwillreducethetimetomarketfornewproductsaswellasincreasingtheflexibilityofcustomisedcontrolsystemsandreducingthecostofdevelopment,maintenance,trainingandwritingofdocumentation.Figures&FactsProjectstart:November1992Projectend:June1998Totalduration:66monthsTotaleffort:96manyearsTotalcosts:12.3MECU9/19/202320OSACA--OpenSystemArchitectuOPC(1)9/19/202321OPC(1)8/5/202321OPC(2)9/19/202322OPC(2)8/5/202322OPC(3)9/19/202323OPC(3)8/5/202323標準化、模塊化軟硬件體系結構

軟件化數控內核—實時操作系統數控系統與驅動和數字I/O連接--現場總線

網絡化是E-Manufacturing對數控系統的必然要求

自治智能化是下一代CNC系統的發(fā)展方向

##:STEP－NC（ISO14649)4).開放式數控系統的發(fā)展方向FIELDBUSPROFIBUSPA/FMS/DPSERCOS--SErialReal-timeCOmmunicationsSystemMACROSIEEE1394--FIREWIRECAN—ControllerAreaNetworkHS-LINKRealtimeEthernet(TCP/IP)USB—UniversalSerialBus9/19/202324標準化、模塊化軟硬件體系結構4).開放式數控系統的發(fā)展方向SERCOS--SErialReal-time

COmmunicationsSystem9/19/202325SERCOS--SErialReal-time

COmmSTEP-NC概要（以新的數據接口規(guī)范取代ISO6983）

STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData－－ISO10303）CNC編程語言G、M代碼－－ISO6983，由CAD->CAM系統產生新標準“CNC控制器的數據模型”（DatamodelforcomputerizednumericalcontrollersISO14649）舊標準存在問題：(1)基于ISO6983標準的數控指令（G、M代碼）支持面窄(無樣條插值和五軸加工、前瞻功能（LOOKAHEAD)，而且系統之間不兼容。(2)

獲得的信息局限于程式化的動作和開關邏輯，故只能被動執(zhí)行指令，缺乏智能化基礎。(3)設計與加工的信息不兼容，產品信息只能單向流動，現場的修改難以自動反饋到上游系統。據NIST估計：數據的不兼容給制造業(yè)帶來的損失多達900億美元。(4)依賴CAM軟件的后處理程序，其間的數據轉換往往會造成信息流失。加工軸的刀具中心軌跡的編程，而不是零件的加工過程的編程9/19/202326STEP-NC概要（以新的數據接口規(guī)范取代ISO6983）CNC系統直接使用符合STEP標準（ISO10303）的CAD三維產品數據模型（包括幾何數據、設計和制造特征），加上工藝的信息和刀具信息，直接產生加工程序來控制機床，消除CAM與數控系統之間的信息流瓶頸，從而基于STEP建立起支持產品全生命周期的信息高速公路，解決目前數字制造系統中信息模型不統一、系統不兼容等問題。STEP-NC概要新標準STEP-NC的基本思想可以簡述為：9/19/202327CNC系統直接使用符合STEP標準（ISO10303）的CSTEP-NC概要STEP－NC的優(yōu)勢CADCAMCNC35%faster75%faster50%fasterSTEP(AP-203)STEP-NC(AP-238)相同的幾何信息IGESCAMPOST-PROCESSRS274D9/19/202328STEP-NC概要STEP－NC的優(yōu)勢CADCAMCNC35CIMTurretPunchingWire-cutEDMCNCMillingCNC(5AXES)5.CNCEQUIPMENTS1).數控設備的理解9/19/202329CIMTurretPunchingWire-cutEDMC2).HSC技術及HSMT特點n=70000rpm;內置感應電機；水冷；電磁軸承n=100000rpm；液體靜壓軸承瑞士IBAGCo.電主軸、直線電機9/19/2023302).HSC技術及HSMT特點n=70000rpm;內置感應HSM特點與高速CNC機床發(fā)展趨勢電主軸單元和直線電機驅動單元；高速化：n=10000~150000rpm;a=(1~8)g，V=40~120m/mim;高速CNC機床發(fā)展趨勢1.高速、高精度向縱深方向發(fā)展;2.開放式、模塊化、智能化和網絡化結構；3.干切削和綠色化；4.從低層次應用起步的“并聯＋串聯”結構機床到真正意義上的“并聯”結構的虛擬軸機床“串聯”結構：即機床設計方案采用典型的笛卡爾坐標制，各軸之間呈直角分布，包括刀具軸和工件軸，從而表現為一種串接的剛性組合。這樣，機床上后運動的軸要受到先運動軸的帶動和加速。“并聯”結構：所有的驅動裝置都支承在一個固定支座或地基之上，驅動裝置直接作用于運動平臺，平臺上安裝著主軸頭、工件支座或者是機械手。在固定支座與運動平臺之間形成了多個與平臺自由度相適應的封閉運動鏈，而該運動鏈呈平行剛性分布，所以稱這種運動力學為并行運動學。

9/19/202331HSM特點與高速CNC機床發(fā)展趨勢電主軸單元和直線電機驅動單3).虛擬軸并聯數控機床9/19/2023323).虛擬軸并聯數控機床8/5/2023329/19/2023338/5/2023339/19/2023348/5/202334CNC應用－復雜運動控制與曲面加工3軸加工15x轉臺15x轉臺25x轉臺35x轉臺45X擺頭主軸換刀9/19/202335CNC應用－復雜運動控制與曲面加工3軸加工18/5/2023

成組技術(相似性)GTFMC/FMS/CIM/CIMS(集成)并行工程PE(同步)準時生產JIT(準確)智能制造系統(IM--智能)敏捷制造AM(靈活)精益生產LP(簡化)虛擬制造VMCIPE(重組、標準化)電子商務EC網絡化制造NMTQCSEF企業(yè)成功的關鍵因素6.基于CNC的新型生產方式---企業(yè)新型運作模式和哲理（科學集成）9/19/202336成組技術(相似性)GTT企業(yè)成功的關鍵因素6.基于CN1)數字化發(fā)展管理數字化(ERP)設計數字化CAD/FEA/PDM生產過程數字化(CAPP/CAM/CAT)加工裝備數字化(C